2023屆新高考化學(xué)選考一輪總復(fù)習(xí)訓(xùn)練-專(zhuān)題突破4　化學(xué)平衡圖像的分析與繪制

專(zhuān)題突破4化學(xué)平衡圖像的分析與繪制課時(shí)訓(xùn)練1.(2021·嘉興期末節(jié)選)在雙功能催化劑作用下,由CO2加氫可以合成二甲醚,涉及以下主要反應(yīng)。反應(yīng)1(甲醇合成).CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)反應(yīng)2(甲醇脫水).2CH3OH(g)CH3OCH3(g)+H2O(g)反應(yīng)3(逆水汽變換):CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)相關(guān)物質(zhì)變化的焓變示意圖如下:2CO(g)+2H2O(g)+4H2(g)2CO2(g)+6H2(g)2CH3OH(g)+2H2O(g)CH3OCH3(g)+3H2O(g)雙功能催化劑通常由甲醇合成活性中心和甲醇脫水活性中心組成。在一定條件下,將CO2與H2以體積比1∶3通過(guò)雙功能催化劑,測(cè)得含碳產(chǎn)物的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)隨時(shí)間變化如圖1所示。(1)寫(xiě)出反應(yīng)3的熱化學(xué)方程式:

。(2)在圖2中畫(huà)出采用雙功能催化劑由CO2加氫合成二甲醚的能量變化圖。(3)下列說(shuō)法正確的是(填字母)。

A.為提高工業(yè)生產(chǎn)效率,合成二甲醚的適宜條件是高溫高壓B.可通過(guò)監(jiān)測(cè)反應(yīng)體系中CH3OCH3和H2O的濃度比判斷是否達(dá)到平衡C.反應(yīng)達(dá)平衡時(shí),若縮小容器容積,反應(yīng)3平衡不發(fā)生移動(dòng)D.一定溫度、壓強(qiáng)下,尋找活性更高的催化劑,是提高CO2平衡轉(zhuǎn)化率的研究方向解析:(1)由圖示可知,2CO2(g)+6H2(g)比2CO(g)+2H2O(g)+4H2(g)的能量少82.4kJ,即2CO2(g)+2H2(g)比2CO(g)+2H2O(g)的能量少82.4kJ,所以1CO2(g)+1H2(g)比1CO(g)+1H2O(g)的能量少41.2kJ,故CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)的反應(yīng)熱ΔH=+41.2kJ·mol-1。(2)根據(jù)題給數(shù)據(jù)可知,反應(yīng)1(甲醇合成).2CO2(g)+6H2(g)2CH3OH(g)+2H2O(g)ΔH=-99.2kJ·mol-1;反應(yīng)2(甲醇脫水).2CH3OH(g)CH3OCH3(g)+H2O(g)ΔH=-23.9kJ·mol-1;將上述兩個(gè)方程式疊加,可得總反應(yīng)方程式為2CO2(g)+6H2(g)CH3OCH3(g)+3H2O(g)ΔH=-123.1kJ·mol-1;表示采用雙功能催化劑由CO2加氫合成二甲醚的能量變化圖如圖所示。(3)由(2)可知,合成二甲醚的反應(yīng)是氣體體積減小的放熱反應(yīng)。A.合成二甲醚的反應(yīng)為放熱反應(yīng),升高溫度,平衡逆向移動(dòng),不能提高工業(yè)生產(chǎn)效率,錯(cuò)誤;B.CH3OCH3和H2O都是生成物,反應(yīng)生成的兩者的濃度比總是1∶3,與反應(yīng)是否達(dá)到平衡無(wú)關(guān),因此不能通過(guò)監(jiān)測(cè)反應(yīng)體系中CH3OCH3和H2O的濃度比判斷是否達(dá)到平衡,錯(cuò)誤;C.反應(yīng)3是反應(yīng)前后氣體物質(zhì)的量不變的反應(yīng),當(dāng)反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí),若縮小容器容積,反應(yīng)3平衡不發(fā)生移動(dòng),正確;D.催化劑只能改變反應(yīng)速率,不能使平衡發(fā)生移動(dòng),因此一定溫度、壓強(qiáng)下,尋找活性更高的催化劑,不能提高CO2平衡轉(zhuǎn)化率,錯(cuò)誤。答案:(1)CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)ΔH=+41.2kJ·mol-1(2)(3)C2.(2021·溫州適應(yīng)性測(cè)試節(jié)選)硫酸在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有極其重要的地位,工業(yè)上常以黃鐵礦為原料接觸法制硫酸。(1)分別將1mol的SO2(g)、1.45mol的O2(g)通入p1、p2和p3恒壓容器中發(fā)生反應(yīng):2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)ΔH=-196kJ·mol-1,相同時(shí)間內(nèi)測(cè)得SO2的轉(zhuǎn)化率α隨溫度的變化如圖所示[對(duì)于氣相反應(yīng),用某組分B的平衡壓強(qiáng)p(B)代替物質(zhì)的量濃度c(B)也可表示平衡常數(shù),記作Kp,如p(B)=p·x(B),p為平衡總壓強(qiáng),x(B)為平衡系統(tǒng)中B的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)]。請(qǐng)回答:①據(jù)圖判斷p1、p2、p3的大小關(guān)系:。

②判斷X、Y、Z中屬于平衡點(diǎn)的是(填“X”“Y”或“Z”),該溫度下反應(yīng)的Kp=(用含p1、p2或p3的式子表示)。(2)為減少SO2的排放,工業(yè)上常將SO2轉(zhuǎn)化為CaSO4固體,但存在CO又會(huì)同時(shí)發(fā)生以下兩個(gè)反應(yīng):反應(yīng)活化能平衡常數(shù)ⅠCaSO4(s)+CO(g)CaO(s)+SO2(g)+CO2(g)ΔH1=+218.4kJ·mol-1Ea1KⅠⅡCaSO4(s)+4CO(g)CaS(s)+4CO2(g)ΔH2=-175.6kJ·mol-1Ea2(Ea2>Ea1)KⅡ(KⅡ?KⅠ)①恒容、恒溫(T1)條件下,反應(yīng)體系中c(SO2)隨時(shí)間t變化的總趨勢(shì)如圖。結(jié)合已知信息分析c(SO2)隨時(shí)間t變化的原因:

。②恒容、恒溫(T2,T2>T1)條件下,請(qǐng)?jiān)趫D中畫(huà)出T2條件下c(SO2)隨時(shí)間t變化圖。解析:(1)溫度較低時(shí),反應(yīng)速率較慢,測(cè)定α?xí)r反應(yīng)未達(dá)到平衡,所以此時(shí)隨溫度升高,α增大,當(dāng)溫度升高到一定程度,測(cè)定α?xí)r,反應(yīng)達(dá)到平衡,繼續(xù)升高溫度,平衡逆向移動(dòng),α減小。①溫度較高時(shí)反應(yīng)達(dá)到平衡,該反應(yīng)前后氣體化學(xué)計(jì)量數(shù)之和減小,溫度不變,增大壓強(qiáng),平衡正向移動(dòng),α增大,所以p3>p2>p1。②當(dāng)α隨溫度的升高而減小時(shí),說(shuō)明反應(yīng)達(dá)到平衡,所以平衡點(diǎn)為Z;Z點(diǎn)所示溫度平衡時(shí)二氧化硫的轉(zhuǎn)化率為0.900,初始投料為1molSO2(g)和1.45molO2(g),列三段式2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)起始/mol 1 1.45 0轉(zhuǎn)化/mol 0.9 0.45 0.9平衡/mol 0.1 1 0.9壓強(qiáng)為p1,各組分的分壓之比等于物質(zhì)的量之比,所以p(SO2)=120p1p(O2)=12p1,p(SO3)=920p1,則Kp=(9(2)①雖然兩個(gè)反應(yīng)同時(shí)進(jìn)行,但由于Ea2>Ea1,反應(yīng)Ⅰ的速率更快,該反應(yīng)開(kāi)始時(shí)c(SO2)上升,直至反應(yīng)Ⅰ達(dá)到最大限度,由于反應(yīng)Ⅱ的平衡常數(shù)較大,隨著反應(yīng)Ⅱ的持續(xù)進(jìn)行,容器中c(CO2)增大,c(CO)減小,導(dǎo)致反應(yīng)Ⅰ平衡逆向移動(dòng),c(SO2)又逐漸降低,直至反應(yīng)Ⅱ達(dá)到平衡。②反應(yīng)Ⅰ為吸熱反應(yīng),升高溫度,平衡正向移動(dòng),所以T2溫度時(shí),c(SO2)的最大值要高于T1溫度,但由于溫度升高,反應(yīng)速率加快,所以達(dá)到最大值所用時(shí)間縮短,反應(yīng)Ⅱ?yàn)榉艧岱磻?yīng),升高溫度,平衡逆向移動(dòng),所以最終平衡時(shí)c(SO2)也要高于T1溫度,則T2條件下c(SO2)隨時(shí)間t變化圖如圖中虛線所示。答案:(1)①p3>p2>p1②Z162p1(2)①雖然兩個(gè)反應(yīng)同時(shí)進(jìn)行,但由于Ea2>Ea1,反應(yīng)Ⅰ的速率更快,該反應(yīng)開(kāi)始時(shí)c(SO2)上升,由于反應(yīng)Ⅱ的平衡常數(shù)較大(正向進(jìn)行程度大),隨著反應(yīng)Ⅱ的持續(xù)進(jìn)行,容器中c(CO2)增大,c(CO)減小,導(dǎo)致反應(yīng)Ⅰ平衡逆向移動(dòng),c(SO②(虛線所示)3.二甲醚(CH3OCH3)是無(wú)色氣體,可作為一種新型能源。甲醇脫水兩步法是目前工業(yè)合成二甲醚的主流技術(shù),涉及的反應(yīng)如下:CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)ΔH1=-90.7kJ·mol-1①2CH3OH(g)CH3OCH3(g)+H2O(g)ΔH2=-23.5kJ·mol-1②請(qǐng)回答:(1)為了研究CO和H2的最佳投料比,恒溫下將1molCO置于恒容密閉容器,改變H2的進(jìn)料量進(jìn)行實(shí)驗(yàn),測(cè)得平衡時(shí)甲醇的體積分?jǐn)?shù)變化如圖所示(假設(shè)該條件下只發(fā)生反應(yīng)①)。請(qǐng)判斷a、b、c三點(diǎn)CO的平衡轉(zhuǎn)化率大小關(guān)系,并說(shuō)明判斷依據(jù):

。(2)合成二甲醚往往選用硅鋁混合物作催化劑。向恒溫體系中不斷勻速通入甲醇,反應(yīng)均未達(dá)到平衡,不同硅鋁比(Ⅰ、Ⅱ)與生成二甲醚的速率關(guān)系如圖所示:①在0～30min內(nèi),不同催化劑下二甲醚的產(chǎn)量大小關(guān)系:Ⅰ(填“>”“<”或“=”)Ⅱ。②工業(yè)上選擇的適合的硅鋁比為0.15,說(shuō)明其原因:

。(3)在某溫度下,向密閉容器中加入CH3OH發(fā)生反應(yīng)②,反應(yīng)到t1時(shí)刻測(cè)得各組分的濃度分別為c(CH3OH)=0.47mol·L-1、c(CH3OCH3)=1.2mol·L-1、c(H2O)=1.2mol·L-1,t2時(shí)刻反應(yīng)達(dá)到平衡。已知反應(yīng)②在該溫度下的平衡常數(shù)為400,請(qǐng)?jiān)趫D中畫(huà)出t1～t2時(shí)間段內(nèi),c(CH3OCH3)的變化曲線。解析:(1)1molCO置于恒容密閉容器中,改變H2的進(jìn)料量進(jìn)行實(shí)驗(yàn),H2的進(jìn)料量越多,其濃度越大,越有利于反應(yīng)的化學(xué)平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng),CO的平衡轉(zhuǎn)化率越大,所以c>b>a。(2)①由題圖可知,使用催化劑Ⅱ時(shí),反應(yīng)初始催化活性很好,生成二甲醚速率快,但是5min后速率便開(kāi)始大幅下降,產(chǎn)量降低;使用催化劑Ⅰ時(shí),二甲醚的生成速率和產(chǎn)量較高,所以二甲醚的產(chǎn)量大小關(guān)系為Ⅰ>Ⅱ。②由題圖可知,硅鋁比為0.15時(shí),二甲醚的生成速率和產(chǎn)量一直保持在較高水平,硅鋁比為0.075時(shí),反應(yīng)初始催化活性很好,生成二甲醚速率快,但是5min后速率便開(kāi)始大幅下降,產(chǎn)量降低。(3)t1時(shí)刻,c(CH3OCH3)=1.2mol·L-1,由題意得,t1時(shí)刻反應(yīng)正向進(jìn)行,設(shè)t1到t2時(shí)間段內(nèi),二甲醚轉(zhuǎn)化了xmol·L-1,列三段式2CH3OH(g)CH3OCH3(g)+H2O(g)t1/(mol·L-1) 0.47 1.2 1.2轉(zhuǎn)化/(mol·L-1)2xx xt2/(mol·L-1) 0.47-2x 1.2+x 1.2+x此溫度下K=400,所以(1.2+x)×(1.2+x)(0.47-2x)2=400,解得x=0.2,所以t2時(shí)刻c(CH3答案:(1)c>b>a,體系中加入氫氣,化學(xué)平衡向右移動(dòng),CO的平衡轉(zhuǎn)化率增大(2)①>②因?yàn)楣桎X比為0.075時(shí),反應(yīng)初始催化活性很好,生成二甲醚速率快,但是5min后速率便開(kāi)始大幅下降,產(chǎn)量降低,而硅酸比為0.15時(shí),二甲醚的生成速率和產(chǎn)量均能維持較高水平(3)4.CO2是一種廉價(jià)的碳資源,把含有大量CO2的空氣吹入K2CO3溶液中,再把CO2從溶液中提取出來(lái),并使之與H2在催化劑作用下生成可再生能源甲醇,相關(guān)反應(yīng)如下?；卮鹣铝袉?wèn)題。反應(yīng)Ⅰ:CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)ΔH1=-49.2kJ/mol反應(yīng)Ⅱ:CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)ΔH2=+41.2kJ/mol(1)將1.0molCO2和3.0molH2充入2L恒容密閉容器中,使其僅按反應(yīng)Ⅰ進(jìn)行,在不同催化劑作用下,相同時(shí)間內(nèi)CO2的轉(zhuǎn)化率隨溫度變化如圖所示,下列說(shuō)法正確的是(填字母)。

A.根據(jù)圖中曲線分析,催化劑Ⅰ的催化效果最好B.b點(diǎn)v(正)可能等于v(逆)C.a點(diǎn)的轉(zhuǎn)化率比c點(diǎn)高,可能的原因是該反應(yīng)為放熱反應(yīng),升高溫度,平衡逆向移動(dòng),轉(zhuǎn)化率降低D.c點(diǎn)時(shí)該反應(yīng)的平衡常數(shù)K約為2.08(2)現(xiàn)使用一種催化劑(CZZA/rGO),按n(CO2)∶n(H2)=1∶3(總量為amol)投料于恒容密閉容器中進(jìn)行反應(yīng),CO2的平衡轉(zhuǎn)化率和甲醇的選擇率(甲醇的選擇率:轉(zhuǎn)化的CO2中生成甲醇的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù))隨溫度的變化趨勢(shì)如圖所示(忽略溫度對(duì)催化劑的影響):①在553K時(shí),反應(yīng)體系內(nèi)甲醇的物質(zhì)的量為mol。②隨著溫度的升高,CO2的平衡轉(zhuǎn)化率增加但甲醇的選擇率降低,請(qǐng)分析其原因:

。(3)根據(jù)反應(yīng)Ⅰ中各物質(zhì)的物質(zhì)的量得到v正～n(CO2)和v逆～n(CH3OH)的關(guān)系可用如圖表示。在圖示達(dá)到平衡后,緩慢升高到某一溫度,反應(yīng)重新達(dá)到平衡,請(qǐng)?jiān)趫D中畫(huà)出此過(guò)程的趨勢(shì)圖。解析:(1)A.由題圖可知,催化劑Ⅰ的催化效果最好,正確;B.由題圖可知,b點(diǎn)時(shí),反應(yīng)未達(dá)到平衡,是平衡形成的過(guò)程,則v(正)>v(逆),錯(cuò)誤;C.該反應(yīng)為放熱反應(yīng),T4K時(shí)反應(yīng)達(dá)到平衡,升高溫度到T5K時(shí),平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng),從而使CO2的轉(zhuǎn)化率降低,則a點(diǎn)轉(zhuǎn)化率比c點(diǎn)高,正確;D.c點(diǎn)時(shí),CO2的轉(zhuǎn)化率為60%,由題意建立如下三段式CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)起始/(mol/L) 0.5 1.5 0 0變化/(mol/L) 0.3 0.9 0.3 0.3平衡/(mol/L) 0.2 0.6 0.3 0.3則反應(yīng)的平衡常數(shù)K=0.(2)①在553K時(shí),反應(yīng)體系內(nèi)甲醇的物質(zhì)的量為0.25amol×21%×60%=0.0315amol;②由題圖可知,隨著反應(yīng)溫度的升高,CO2的平衡轉(zhuǎn)化率增大,但甲醇的選擇率降低,原因是當(dāng)溫度升高時(shí),反應(yīng)Ⅰ平衡逆向移動(dòng),而反應(yīng)Ⅱ平衡正向移動(dòng)且幅度更大,所以CO2的平衡轉(zhuǎn)化率增加,但甲醇的選擇率卻降低。(3)升高溫度,正、逆反應(yīng)速率均增大,平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng),二氧化碳的物質(zhì)的量增大,甲醇的物質(zhì)的量減小,則曲線的變化如圖所示。答案:(1)ACD(2)①0.0315a②當(dāng)溫度升高時(shí),反應(yīng)Ⅰ平衡逆向移動(dòng),而反應(yīng)Ⅱ平衡正向移動(dòng)且幅度更大,所以CO2的平衡轉(zhuǎn)化率增加,但甲醇的選擇率卻降低(3)5.工業(yè)上用CO2、CO和H2在催化劑存在條件下制取甲烷、甲醇、乙烯等有重要的意義。(1)①利用CO和H2在催化劑的作用下合成甲醇,發(fā)生的反應(yīng)為CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)。在容積為2L的密閉容器中按物質(zhì)的量之比為1∶2充入CO和H2,測(cè)得平衡時(shí)混合物中CH3OH的體積分?jǐn)?shù)在不同壓強(qiáng)下隨溫度的變化如圖所示。下列說(shuō)法正確的是(填字母)。A.該反應(yīng)的ΔH<0,且p1<p2B.若p1時(shí)最初充入1molCO,經(jīng)過(guò)5min達(dá)到B點(diǎn)的平衡狀態(tài),此段時(shí)間v(CH3OH)=1.75mol·L-1·min-1C.在C點(diǎn)時(shí),CO轉(zhuǎn)化率為75%D.A、B、C、D的平衡常數(shù)大小關(guān)系:A=B>C>D②CO2和H2在催化劑Cu/ZnO作用下可發(fā)生兩個(gè)平行反應(yīng),分別生成CH3OH和CO。反應(yīng)Ⅰ:CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)。反應(yīng)Ⅱ:CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)控制CO2和H2初始投料比為1∶3時(shí),溫度對(duì)CO2平衡轉(zhuǎn)化率及甲醇和CO產(chǎn)率的影響如圖1所示。a.反應(yīng)Ⅰ自發(fā)進(jìn)行的條件是(填“高溫”或“低溫”)。

b.由圖可知,溫度升高,CO的產(chǎn)率上升,其主要原因可能是

。

c.由圖可知,獲取CH3OH最適宜的溫度是。(2)以CO2為原料催化加氫合成低碳烯烴的反應(yīng)方程式:2CO2(g)+6H2(g)C2H4(g)+4H2O(g)ΔH。在常壓下,FeCoMnK/BeO作催化劑,按n(CO2)∶n(H2)=1∶3(總物質(zhì)的量為4amol)的投料比充入密閉容器中發(fā)生反應(yīng),測(cè)得溫度對(duì)CO2的平衡轉(zhuǎn)化率和催化劑催化效率影響情況如圖2所示。①250℃時(shí),上述反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)容器容積為VL,則此溫度下該反應(yīng)的平衡常數(shù)為(用含a、V的代數(shù)式表示)。

②反應(yīng)開(kāi)始時(shí)在0.1MPa條件下,以n(H2)∶n(CO2)=3∶1的投料比充入容積固定的密閉容器中,發(fā)生上述反應(yīng),不同溫度下平衡時(shí)的四種氣態(tài)物質(zhì)的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)如圖3所示。若按氫氣和二氧化碳的物質(zhì)的量之比為n∶1(n≥3)進(jìn)行投料,溫度控制為120℃,相應(yīng)平衡體系中乙烯的產(chǎn)率為x,在圖4中繪制x隨n(n≥3)變化的示意圖(標(biāo)出曲線的起點(diǎn)坐標(biāo))。解析:(1)①A.由題圖可知,升高溫度,CH3OH的體積分?jǐn)?shù)減小,平衡逆向移動(dòng),則該反應(yīng)的ΔH<0,300℃時(shí),增大壓強(qiáng),平衡正向移動(dòng),CH3OH的體積分?jǐn)?shù)增大,所以p1>p2,錯(cuò)誤;B.若p1時(shí)最初充入1molCO,經(jīng)過(guò)5min達(dá)到B點(diǎn)的平衡狀態(tài),此時(shí)CH3OH的體積分?jǐn)?shù)為70%,向密閉容器充入了1molCO和2molH2,設(shè)CO的轉(zhuǎn)化率為x,則CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)起始/mol 1 2 0轉(zhuǎn)化/mol x 2x x平衡/mol 1-x 2-2x x在B點(diǎn)時(shí),CH3OH的體積分?jǐn)?shù)為x3-2x×100%=70%,解得x=0.875,此段時(shí)間v(CH3OH)=0.875mol2L5min=0.0875mol·LCO(g)+2H2(g)CH3OH(g)起始/mol 1 2 0轉(zhuǎn)化/mol y 2y y平衡